Vorlesung 1a
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Neue Experimente der Teilchen- und Astroteilchenphysik A-Vorlesung, 3std., Di. 14:00 – 16:30 (mit 15 min Pause) Dozenten: W. Dünnweber, M. Faessler Skript: Vorlesungswebseite Inhalt (vorläufig): 15. April: 22. April (MF): 29. April (WD): 6. Mai (WD): 20. Mai (MF): 27. Mai (WD): 3. Juni (WD): 10. Juni (MF): 17. Juni (MF): 24. Juni (WD): 1. Juli (WD): 8. Juli (MF): 15. Juli (MF): Kosmologie im Überblick Aktuelle Fragen der Teilchenphysik Teilchennachweis Primordiale Nukleosynthese Elementsynthese in Sternen Struktur des Nukleons (Lepton-Nukleon Wechselwirkung; HERA, CERN,…) Neutrinos von der Sonne, aus der Atomsphäre und aus Supernovae Neutrino-Oszillationen Elektron-Positron-Vernichtung (LEP) e+e- Vernichtung, Fortsetzung Belle, Barbar und ILC Dunkle Materie Dunkle Materie und Dunkle Energie Antiproton-Proton, Proton-Proton bis Gold-Gold -Wechselwirkungen (Tevatron, RHIC) Geplante Experimente am Large Hadron Collider LHC Übungen: Dozent: M. Faessler Dienstags im Anschluß an obige (MF)-Vorlesungen Inhalt: Grundlagen der Teilchenphysik, ausführliche und vertiefte Wiederholung des Stoffs der PV-Kursvorlesung 1. Kosmologie im Überblick A) Entfernungsmessung B) Expansion C) Entwicklung des Universums A. Entfernungsmessung 1 parsec (pc) = 3.3 ly (Lichtjahre) = 3x1016m a) Triangulation von Erdumlaufbahn aus -> bis 50 parsec b) Cepheid Variable Sterne mit periodisch variierender Helligkeit. Modell: Stehende Schallwellen in Atmosphäre: Expansion durch Strahlungsdruck, Kontraktion durch Gravitation (-> Rekombinationsstrahlung) B) Expansion Hubbles Gesetz Beobachtung (1929): Rotverschiebung, z.B. von Wasserstofflinien nimmt proportional zum Abstand der Galaxien zu. Zunächst als Dopplereffekt interpretiert (was für kleine Abstände zulässig ist, nicht aber für große → Expansion des q Raumes). Relativistische Dopplerverschiebung: z = Für v << c : z ≈ β = v/c. ∆λ λ = 1+β 1−β −1 Hubbles Gesetz: v = H0 · d J ] J JAbstand zweier Galaxien voneinander Hubble “Konstante” H0 = (70 ± 10) km/s M pc = 1 5 x 1017 s ≈ 1 15 x 109 a (heutiger Wert, wächst wahrscheinlich mit t) Erklärung durch Expansion des Raums Die Metrik des Minkowski-Raums wird durch einen Skalenfaktor R(t) ergänzt. ∆s2 = (c · ∆t)2 − R(t)2 · (∆x2 + ∆y 2 + ∆z 2 ) Gilt fr flaches Universum (Spezialfall Krümmungsparameter = 0 der Robertson-Walker Metrik der Allg. Relativitätstheorie). d Galaxien d A B ∆t C 2d 2d B A C VAB = VBC = d/∆t , vAC = 2d/∆t (Hubble) ∆t allgemein: Abstand ℓ = R(t) · d −→ R(t + ∆t) · d = ℓ′ V = Ṙ · d = Ṙ ·ℓ R Ṙ Hubblekonstante H =R Rotverschiebung:λgemessen = z =: z+1 Rheute Remission λgemessen −λemission λemission Rheute = Remission · λemission a) heute ρm (sichtbare Masse) = 0.5 GeV /m3 = 1 2 Nukleon /m3 = 0.25 MeV/m3 ρr (Strahlung) = 4 x 108 Photonen/m3 → Nγ NNukleon ≈ 109 Expansion: ρm ∼ 1 R3 ρr ∼ 1 ∼ R4 T4 da λ ∼ R d.h. im Lauf der Expansion nimmt die Strahlungsenergiedichte schneller ab als die MaterieEnergiedichte. Die (1/R3) bzw (1/R4) Proportionalität gilt allgemein für die Extremfälle nicht relativisp 2 4 tischer bzw. relativistischer Teilchen. Da E = m c + p2 c2 sind diese Extremfälle für Nukleonen (m2 c2 dominant) bzw. Photonen (m=0) erfüllt. Zwischen diesen Extremfällen gibt es die Näherung ρm = n · m · c2 + 23 n · k · T (mit n = Teilchenzahldichte). Für die noch nicht nachgewiesenen kalten Urknall-Neutrinos erwartet man ca. n(= n(νe ) + n(νµ ) + n(ντ ) + n(ν̄e ) + n(ν̄µ )n(ν̄τ )) ≈ 108 /m3 und eine Temperatur von 2K, d.h. etwas unterhalb der Temperatur der Photonen (siehe Teil b)). Vermutung: ρDunkle Energie = 0.69 · ρcrit ρDunkle M aterie = 0.27 · ρcrit ρm = 0.04 ρcrit mit ρcrit = kritische Dichte für “flaches Universum” ˆ 1eV, T ≈ 5 x 105 y b) T ≈ 3000 K ≈ Photonen und Atome entkoppeln vorher: Atom (Ex ) ⇄ Atom(Grundzustand) + hν nachher: hν wegen Expansion zu klein → nicht mehr in thermischem Gleichgewicht mit Materie (→ Atome bilden sich) Strahlungs-Energiedichte nimmt mit 1 R4 ab ? heutige 2.7 K Hintergrundstrahlung c) T = ˆ 100 keV , t ≈ 3min Nukleosynthese: n + p → d + γ(2.2 MeV) ← nicht mehr mglich, da Photonenenergie zu klein d/p Verhltnis “eingefroren”, ebenso 4 He/p Boltzman Verteilung: 76 % H / 24 % He ≈ heutiger Wert (schwere Elemente bilden erst sich in Supernovae) Bei t ≈ 1s koppeln Neutrinos ab, weil danach freie Weglänge >> RUniv. (eigentlich: Reaktionsrate < Expansionsrate)
